С. И. Шапошников
Многие из читателей давно знакомы с следующим явлениями:
1) Стальной магнит (рис. 1) притягивает наиболее сильно железо, сталь и т. п. точками N и S, расположенными у концов магнита и называемыми полюсами.
Те направления, по которым действуют силы притяжения, называют магнитными линиями сил.
Пространство, наполненное этими линиями сил, называют магнитным полем.
Магнитное поле легко наблюдать при помощи железных опилок, которые, будучи посыпаны на бумагу, положенную на магнит, уложатся по направлениям линий сил.
Направление линий сил, выходящих из северного полюса N и входящих в южный S, легко обнаружить посредством маленькой компасной стрелки: своим северным концом (на рисунке показан черным) стрелка укажет это направление.
2) При пропускании тока через проводник (рис. 2), вокруг него возникает магнитное поле, состоящее из тех же линий сил, что и у магнита. Что это так, доказывается намагничиванием током железа: получается электромагнит.
Магнитные линии сил вокруг провода с током образуют ряд концентрических колец (находящихся одно внутри другого, с общим центром — проводником). Их легко наблюдать посредством железных опилок. Точно также, направление линий сил можно определить по предыдущему посредством компасной стрелки.
Чем сильнее ток, тем большее число линий сил он создает, тем гуще и чаще они расположены и занимают большее пространство.
Если ток прекратить, магнитное поле исчезает.
3) Если магнитными линиями сил пересекать проводник (напр. катушку с витками), или, что то же самое, проводником пересекать линии сил, то в этом проводнике возникают, или, как говорят, индуктируются электрические токи.
Изложенное поясняет рис. 3, где К — катушка, вдвигаемая в магнитное поле, Г — гальванометр. Стрелки укааывают направление движения катушки и индуктированного в ней электрического тока. Опыт хорошо наблюдается при достаточно сильном магните, большом числе витков на катушке, быстром вдвигании ее в поле и при чувствительном гальванометре.
Если катушку выдвигать из магнитного поля (двигая ее обратно), линии сил будут пересекать витки в обратном направлении и индуктированный ток пойдет тоже в обратном направлении.
Об индукции тока можно сказать и иначе: когда число линий сил увеличивается внутри катушки, в ней индуктируется ток одного направления. Когда число линий сил уменьшается внутри катушки, в ней индуктируется ток обратного направления. Когда число линий сил внутри катушки не изменяется (мы ввели конец магнита в катушку и закрепили его неподвижно), ток в ней не индуктируется.
Сказанное поясняет рис. 4.
Вышеприведенные три пункта помогут нам уяснить сущность и действие самоиндукции.
Имеем провод, навернутый спиралью через отверстия в доске А (см. рис. 5).
Замкнем ключ К. Батарея Б даст ток через катушку. Ток создаст вокруг каждой точки (кусочка) провода знакомое нам магнитное поле в виде концентрических кругов.
Линии сил около самого провода дадут замкнутые круги. Линии сил, более удаленные от провода, будут соприкасаться с такими же линиями сил соседних витков, и, так как они имеют все одинаковое направление (см. стрелки), то сольются в длинные линии сил, имеющие форму эллипса (яйца) и занимающие пространство как внутри, так и снаружи катушки. Образуется сильное магнитное поле. Сила его происходит от того, что в катушке много витков, каждый из которых создает свой поток, а эти потоки, сливаясь вместе, и создают общее магнитное поле.
При достаточной силе тока (10 и больше ампер) магнитное поле можно наблюдать при помощи железных опилков.
Направление линий сил можно определить компасной стрелкой 1).
Итак, внутри катушки, не имевшей магнитного поля, вдруг возникли линии сил.
По пункту 3 мы должны сказать, что эти линии сил индуктировали в витках ток. Это в действительности и получается, при чем оказывается, что индуктированный ток идет навстречу току батареи, следовательно уменьшая его величину. Но ток батареи быстро преодолевает индуктированный ток, магнитное поле становится постоянным по числу линий сил и, следовательно, дальше во все время нажатия ключа индуктированного тока больше не возбуждается.
Разомкнем ключ. Ток прекратился. Магнитное поле, существующее лишь при токе, тоже исчезло. Внутри катушки число линий сил уменьшилось до нуля. Вследствии этого индуктировался ток, но обратного направления, идущий вдогонку прекратившемуся току батареи. Этот ток дает искру между контактами ключа К.
Первый индуктировавшийся ток называют экстратоком замыкания, второй — экстратоком размыкания.
Экстраток размыкания легко обнаружить: для этого надо внутрь катушки, для усиления магнитного поля, вложить железный сердечник. Число витков следует взять побольше. Включив несколько элементов, взяться руками за тот и другой контакты ключа и разомкнуть его. Через руки пройдет экстраток размыкания, который обнаружит себя сокращением мускулов рук
Если быстро замыкать и размыкать ключ, число экстратоков увеличится и катушка будет сильнее действовать на ток батареи.
Описанное явление можно об‘яснить следующим примером:
Рука толкает тележку. Тележка сопротивляется руке, но мало-по-малу начинает двигаться. Здесь движение руки — ток батареи. Первоначальное сопротивление тележки — экстраток замыкания.
Теперь прекратим движение руки. Это ток батареи выключен. Но тележка двигается по инерции дальше и тянет за собой руку. Это экстраток размыкания.
Значительно заметнее ведет себя катушка, включенная в цепь переменного тока, напр., с частотой 50.
Здесь мы пропускаем через катушку в каждую секунду 50 токов в одном направлении и 50 в обратном. Когда ток меняет свое направление — он очевидно на малое время прекращается. Пошел ток одного направления. Катушка индуктировала ему свой ток навстречу. Ток на мгновенно перестал изменять свою величину, достигнув наибольшей силы; индуктированный ток пропал. Ток стал уменьшаться — катушка индуктирует ему ток навстречу. Ток упал до нуля и, переменив свое направление, стал увеличиваться, — катушка индуктирует ему ток навстречу и т. д.
Изложенное поясняет рис.6, где сплошная кривая показывает изменение переменного тока, пропускаемого через катушку, а пунктирная — индуктированные катушкой токи. На участке аб ток возрастает и направлен вверх. Индуктированный ток действует ему навстречу, т.-е. вниз. Около части бв ток сохраняет свою величину постоянной. В этот момент индуктированный ток — нуль. Затем ток уменьшается на участке вг, сохраняя направление вверх. Индуктированный ток идет в том же направлении, т.-е. вверх. Ток переменил свое направление и пошел, увеличиваясь, вниз. Поэтому индуктированный ток пошел ему навстречу, т.-е. вверх, и т.д.
Мы видим, что индуктированные токи все время действуют не в такт с переменным током, пропускаемым через катушку. Они им мешают и, следовательно, уменьшают действие их.
Что же делает наша катушка?
Она сама индуктирует в себе токи, откуда и получилось название этого явления: самоиндукция.
Небольшие катушки с малым числом витков обладают небольшим свойством самоиндукции. Катушки с большим числом витков и особенно с железным сердечником обладают сильными свойствами самоиндукции.
Как различные конденсаторы отличаются друг от друга по величине их емкости, так различные катушки отличают одну от другой по их коэффициенту самоиндукции.
Коэффициент самоиндукции — величина, которая показывает, как велико свойство самоиндукции данной катушки.
На практике, для сокращения, вместо коэффициента самоиндукции говорят просто самоиндукция, обобщая под этим названием: 1) катушку или спираль, 2) свойство ее сам самоиндуктировать и 3) величину этого свойства — коэффициент самоиндукции.
Будем этого придерживаться и мы, запомнив, что когда мы будем рассчитывать или измерять самоиндукцию, это значит, что мы будем определять величину коэффициента самоиндукции, обычно обозначаемого буквой L.
Как мы усвоили, действие самоиндукции будет тем больше, чем больше в катушке при данном токе магнитных линий сил и витков, так как самоиндукция как раз и зависит от произведения числа линий сил на число витков.
Весьма малый виток, в котором ток в один ампер создает одну линию силы, принят за единицу самоиндукции (коэффициента самоиндукции).
Такую единицу назвали сантиметр.
Следовательно, мы знаем уже три единицы, носящих одно и то же название сантиметр: длины, емкости и самоиндукции.
В электротехнике принята другая единица самоиндукции — генри.
1 генри — миллиарду сантиметров.
Тысячная доля генри называется миллигенри и равна миллиону сантиметров.
В радиотехнике же обычно пользуются единицей — сантиметр.
Пример: самоиндукция катушки равна 150.000 см. Это значит, что ток в один ампер создает в катушке такое число линий сил, которое, будучи умножено на число витков, даст цифру 150 000.
Она такова:
| L = | 4 × π × n2 × S | = | 12,56 × n × n × S |
| l | l |
В ней: n — число витков в катушке.
S — площадь поперечного сечения катушки, выраженная в квадратных сантиметрах.
l — длина намотки на катушке, выраженная в сантиметрах.
L получается в сантиметрах (самоиндукции).
Рисунок 7 поясняет сказанное.
Смысл формулы таков:
Имеем 1 виток, в котором ток в 1 ампер создает 1 линию силы, тогда L = 1 линия силы × 1 виток =1 см.
Возьмем два таких же витка, пропустив через них 1 ампер. В каждом витке, по предыдущему, получится по 1 линии силы, но так как витки расположены рядом, то обе линии сил пройдут через оба витка и L = 2 линии сил × 2 витка = 4 см., при 3-х витках мы получим L = 9 и т. д.
Это показывает нам, что, напр., увеличение числа витков катушки в 5 раз увеличит самоиндукцию не в 5 раз, а в 5 × 5 = 52 = 25 раз. Поэтому в формуле число витков показано в квадрате: n2.
Предположим, имеем один виток, дающий нам при токе в 1 ампер — 1 линию силы и следовательно L = 1 (см. рис. 8-а). Поместим рядом с ним другой такой же виток, дающий тоже одну линию силы. Соприкасающиеся части витков (рис. 8-б), имея токи обратного направления, друг друга уничтожают, и в результате у нас получится как бы один виток с площадью вдвое большей и с числом линий сил тоже вдвое большим. Итак, увеличение площади витка S увеличит самоиндукцию катушки вдвое, при условии, что число витков и длина катушки остались прежние.
Представим себе катушку, состоящую из четырех витков, положенных вплотную один к другому.
Пусть при 1 ампере каждый виток дает 1000 линий сил; тогда L = 1000 × 4 = 4.000 см. Разведем теперь витки, удлинив таким образом катушку, как показано на рис. 5. Мы видим, что теперь некоторые линии сил, находящиеся у самого провода, не сливаются с другими и, следовательно, не действуют на другие витки. Значит, общее число линий сил, выходящих из катушки, уменьшилось, почему и коэффициент самоиндукции L у растянутой катушки уменьшится. Поэтому в знаменатель формулы введена длина катушки l.
Точная формула, кривые и способ расчетов самоиндукции будут даны в следующем номере.
1) В электротехнике существуют правила для определения направления тока и без компаса. (назад)